Dokument ErP Směrnice 2009/125/ESwww.eaton.eu
Úspěšná implementace směrnice ErP Snižování ztrát při regulaci otáček
160 %
158 %
152 %
142 %
100 %
Dokument Dipl.-Ing. Heribert Joachim 2. vydání, 2014
Energetická účinnost v průmyslu – využití potenciálních úspor v oblasti elektrických pohonů
Úvod Energetická účinnost je žhavé téma. Politika a obchod v posledních letech dělají vše pro úsporu energie ve výrobních systémech a pro snížení emisí CO2 v průmyslovém sektoru. V mnoha oblastech bylo dosaženo pozoruhodného úspěchu, ale stále je příliš brzy na to, abychom usnuli na vavřínech. Je zde ještě velký potenciál energetických úspor, a to zejména u elektrických pohonů. Tento potenciál lze nejlépe využít při inteligentním používání automatizační technologie v kombinaci se spínači motorů a frekvenčními měniči. Klíčovým faktorem je výběr správného řešení pro každé použití.
Spotřeba energie 2011* podle sektoru a zdroje energie
FEC domácnosti Černé uhlí a hnědé uhlí 15 TWh
Výroba minerálního oleje 132 TWh
Teplo z obnovitelných zdrojů energie 77 TWh
FEC průmysl Výroba minerálního oleje 33 TWh Černé uhlí a hnědé uhlí 106 TWh Jiné 15 TWh Teplo z obnovitelných zdrojů energie 42 TWh Dálkové vytápění 56 TWh
FEC živnost, obchod, služby Elektřina (vč. obnovitelných zdrojů energie) 348 TWh
Plyn 205 TWh
Elektřina (vč. obnovitelných zdrojů energie) 140 TWh
Dálkové vytápění 41 TWh
Německý průmysl je zodpovědný za přibližně 30 % veškeré konečné spotřeby energie v zemi (viz obr. 1). Dvě třetiny na tomto obrázku jsou použity pro průmyslové teplo. Mechanická energie tvoří čtvrtinu spotřeby, zatímco vytápění prostorů má na celkové spotřebě pouze minimální podíl1. 54 % konečné spotřeby energie v průmyslu vychází z potřeb průmyslu vyrábějícího zboží2. Podle Asociace německých výrobců elektrických a elektronických produktů (ZVEI) by mohlo být v rámci procesního a výrobního průmyslu v německých továrnách dosaženo 10 % až 25 % úspory energie pouze pomocí účinnější automatizační technologie, což se rovná 88 miliardám kWh energie. Tímto by se ušetřilo až 7 miliard v ročních nákladech na energii.3
Živnost, Domácnosti obchod, 609 TWh služby 25 % 376 TWh 16 % Průmysl 729 TWh 30 %
Doprava 714 TWh 29 %
Plyn 110 TWh
Jiné 1 TWh Černé uhlí a hnědé uhlí 4 TWh
Plyn 3 TWh
Výroba minerálního oleje 662 TWh
(vč. obnovitelných zdrojů energie)
Teplo z obnovitelných zdrojů energie 12 TWh
FEC doprava
Plyn 257 TWh
Elektřina
Výroba minerálního oleje 78 TWh
Dálkové vytápění 24 TWh
Elektřina (vč. obnovitelných zdrojů energie) 17 TWh Biopaliva 33 TWh
220 TWh
Obr. 1 Spotřeba energie v Německu (2011) podle sektoru a zdroje energie, zdroj: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Federální agentura pro životní prostředí 1 Spolková agentura pro životní prostředí, spotřeba energie podle zdroje a sektoru, březen 2013, http://www.umweltbundesamt-daten-zur-umwelt. de/umweltdaten/public/theme.do?nodeIdent=5978 [německy] 2 VDMA / Roland Berger: Der Beitrag des Maschinen- und Anlagenbaus zur Energieeffizienz, 2009 3 ZVEI: Automation, Mit Hightech für Umwelt- und Klimaschutz – Automation: Wir machen‘s energieeffizient!, 2010
2
Eaton WP040003EN
Když dojde na skleníkové plyny, průmyslová automatizace má také obrovský potenciál. 37 % (378 milionů tun CO2e, CO2e = ekvivalent CO2) všech emisí skleníkových plynů v Německu (1 025 milionů tun CO2e) pochází z průmyslového sektoru a v příštích 20 letech se očekává prudký nárůst této hodnoty. Stále je zde však možnost tento nárůst zbrzdit. Zvýšené využívání inteligentních environmentálních technologií, předních technologií v automatizačních řešeních, by tento postup mohlo zpomalit a částečně dokonce zvrátit4. V průmyslu by mohlo by být dosaženo úspory skleníkových plynů ve výši ekvivalentu 43 milionů CO2 (cca. 11 % všech emisí v průmyslovém sektoru). To odpovídá ročním emisím CO2 sedmi hlavních elektráren spalujících uhlí (každá 2 000 MW)5. Elektrické pohony v průmyslové výrobě mají velký podíl na spotřebě elektrické energie, který se pohybuje okolo dvou třetin6. Pro zvyšující se účinnost má velký význam kvalitní strojní inženýrství. Federální agentura pro životní prostředí odhaduje, že efektivnější služby strojního inženýrství se zahrnutím inteligentních automatizačních řešení by mohly v samotném Německu snížit spotřebu o přibližně 27 miliard kW do roku 2020, čímž by se předešlo 16 milionům tun CO2 emisí7. Vzhledem k tomu, že náklady na energii tvoří zdaleka největší část celkových nákladů na životní cyklus elektrického motoru (viz obr. 2), potenciální úspory ve strojním inženýrství elektrických pohonů se stávají patrnější.
Evropská unie na základě těchto zjištění zahájila několik iniciativ na podporu ekodesignu produktů. Jádrem těchto návrhů je směrnice ErP 2009/125/ES pro “Energetické Spotřebiče”8, která nahrazuje a rozšiřuje oblast působnosti směrnice ErP 2005/32/ ES9. Ta vytváří rámec pro stanovení společných požadavků na ekodesign energetických spotřebičů a stanovuje kritéria, která dané produkty musí splňovat pro způsobilost pro provoz v Evropě. Požadavky týkající se jednotlivých skupin produktů jsou stanoveny ve zvláštních prováděcích směrnicích, např. Nařízení ES 640/2009 pro elektromotory10. Vyvolává to řadu otázek: Jaké jsou přesně nové požadavky na elektromotory a jaké typy to ovlivňuje? Jak mohou firmy nejefektivněji využít potenciál úspor v oblasti inženýrství elektrických pohonů? Jaké automatizační řešení se nejlépe hodí pro které použití? Jaké existují prováděcí strategie? Jak velké investice jsou potřeba pro technickou modernizaci? Tento článek si klade za cíl poskytnout odpovědi na tyto otázky a poskytnou rady strojním inženýrům, projektantům ovládacích skříní a provozovatelům elektráren pro využívání vhodných řešení automatizace pro zlepšení energetické účinnosti slučitelné s životním prostředím svých výrobních procesů v oblasti inženýrství elektrických pohonů.
100% 80% Preis Motors Cena des motoru 60% 95,2%
97,1%
97,7%
98,0%
40%
Energiekosten Náklady na energii Wartungskosten Náklady na údržbu
20%
0% 2000h
4000h
6000h
8000h
Obr. 2: Náklady životního cyklu (vyjma instalace a likvidačních nákladů) 11 kW motoru s životností 15 let (nebo případně, ZVEI motory uzavřenou regulační smyčkou, strana 14), Zdroj: diam-conswult* * Almeida, A.T. Ferreira, Fong, J., Fonseca, P., EUP Lot 11 Motors; ISR-Univerzita Coimbra, únor 2008
4 ZVEI, na základě společnosti McKinsey & Company, Inc. "Snížení nákladů a potenciálu skleníkových plynů v Německu", průmyslová zpráva, 2007 5 ZVEI, Divize měřicí techniky a procesní automatizace, v: ZVEI: Automatizace pomocí vyspělé technologie na ochranu životního prostředí a klimatu – Automatizace: Děláme to energeticky úsporné!, 2010 6 ZvEI, Motory a pohony s uzavřenou regulační smyčkou – normy a právní požadavky pro nízkonapěťové třífázové motory, 2013 [německy] 7 Federální agentura pro životní prostředí, tisková zpráva č. 53/2009, Energetická účinnost elektromotorů, 2009 http://www.umweltbundesamt. de/en/press/pressinformation/energy-efficiency-in-electric-motors
8 Směrnice 2009/125/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů 9 Směrnice 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů 10 Nařízení Komise (ES) č. 640/2009 ze dne 22. července 2009, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES s požadavky na ekodesign elektromotorů Eaton WP040003EN
3
Právní rámce 4-pole, 50 Hz
Směrnice ES jsou právně závazné pro všechny členské státy Evropské unie a vstoupí v platnost krátce po jejich zveřejnění v Úředním věstníku Evropské unie. Směrnice ErP 2009/125/ES vytváří rámec pro definování společných požadavků na ekodesign energetických spotřebičů. Mezi tyto spotřebiče patří systémy elektromotorů a aplikace HVAC, jako jsou průtokové ohřívače vody, elektrické ohřívače vody, chladničky a mrazničky pro komerční účely, klimatizační zařízení, čerpadla, ventilátory a kompresory. Nařízení ES 640/2009 stanovuje povinné minimální třídy účinnosti pro různé úrovně účinnosti třífázových nízkonapěťových asynchronních motorů (pro aplikační oblasti, viz obr. 3). Tento typ motoru je v průmyslu rozšířený a v roce 2005 tvořil téměř 90 % spotřebu elektrické energie elektromotorů v 27 členských státech EU11. V této souvislosti byly bývalé dobrovolné EFF třídy vydané Evropským výborem výrobců elektrických strojů a výkonové elektroniky (CEMEP) nahrazeny třídami mezinárodní účinnosti (IE), jak je uvedeno v normě IEC 60034-30 pro asynchronní motory. Jsou to IE1 (standardní účinnost), IE2 (zvýšená účinnost) a IE3 (vysoká účinnost). Energetická účinnost je nyní počítána pomocí nových metod (podle normy IEC 60034-2-1:2007) takto:
100
Efficiency
95 90 85 80 75 70 0,75 1,5
3
5,5 11 18,5 30 45
75 110 160 375
Motor output IE1
IE2
IE3
Obr. 4: Globální křivky účinnosti (IE kód) standardních asynchronních motorů, zdroj: ZVEI
Který motor spadá do které oblasti platnosti
1 Standardní třífázový asynchronní motor 0,75–375 kW 2, 4, 6 pólů, nepřetržitý provoz S1 (Poznámka: vztahuje se také na motory instalované ve stroji)
2 Standardní třífázový asynchronní motor s příslušenstvím (těsnicí kroužky, zařízením proti zpětnému chodu, rotační snímače, atd.) 0,75–375 kW 2, 4, 6 pólů, nepřetržitý provoz S1 (Poznámka: měření účinnosti bez příslušenství)
Norma IEC 6003430:2008
ErP směrnice/nařízení 640/2009
Názvy tříd: IE1, IE2, IE3
Minimální zákonný požadavek
Ano
Ano
Poznámka: dodatečný provozní režim S3 (pracovní cyklus≥ 80 %) Ano
Ano
Poznámka: dodatečný provozní režim S3 (pracovní cyklus≥ 80 %)
3 Převodový motor
Ano
Ano
4 Motor s ochranou proti výbuchu
Ano
Ne
5 Brzdový motor Motor s elektromechanickým brzdovým zařízením, který je v záběru přímo s hnacím vřetenem bez spojky.
Ano
Ne
6 Motory plně integrované do stroje (například čerpadla, ventilátory, převodovky a kompresory), jejichž účinnost nemůže být měřena nezávisle na tomto stroji.
Ne
Ne
7 Ostatní typy motorů (např. motory s permanentním magnetem, motory s přepínáním počtu pólů, motory pro přepínání režimu, např. servomotory)
Ne
Ne
Obr. 3: Porovnání oblastí platnosti v motorové směrnici IEC/EU, zdroj: ZVEI
11 Federální agentura pro životní prostředí, tisková zpráva č. 53/2009, Energetická účinnost elektromotorů, 2009
4
Eaton WP040003EN
Obr. 5: Software Energy Saving Estimator pro identifikaci potenciálu úspor v elektronických systémech, zdroj: Eaton
Tato reforma stanovuje, že oblast platnosti pokrytá motorovou směrnicí bude v příštích letech rozšířena s cílem uspořit ještě více energie v oblasti průmyslových pohonů. Právní rámec pro standardní asynchronní motory je následující:
jsou spojené s energetickou účinností a s aktivitami týkající se ochrany životního prostředí. Očekává se, že tato hodnota do roku 2020 vzroste z 35 % na 40 %12.
Šetřit energii, ale jak? Nařízení EC č. 640/2009, článek 3 (výňatek) • Od 16. června 2011 motory nesmí být méně účinné, než je úroveň účinnosti IE2. • Od 1. ledna 2015: motory o jmenovitém výkonu 7,5–375 kW nesmí být méně účinné, než úroveň účinnosti IE3 [...] nebo musí splňovat úroveň účinnosti IE2 [...] a být vybaveny regulací otáček. • Od 1. ledna 2017: motory o jmenovitém výkonu 0,75–375 kW nesmí být méně účinné, než úroveň účinnosti IE3 [...] nebo musí splňovat úroveň účinnosti IE2 [...] a být vybaveny regulací otáček. Tyto nové právní rámce by měly dále zvyšovat povědomí o otázkách energetické účinnosti v průmyslu. Průmysl bez automatizační techniky nebude schopen splňovat stále rostoucí požadavky na účinnost a ochranu životního prostředí. Trh odráží rostoucí význam automatizační technologie: Podle odhadů asociace ZVEI, globální trh pro měřicí techniku a automatizaci procesů vzroste ze 113 miliard eur (2007) na 213 miliard eur (2020), což odpovídá ročnímu růstu kolem 5 %. Hlavní hybnou silou tohoto vývoje (alespoň 25 % tržní hodnoty měřicí techniky a automatizace procesů) jsou zelené produkty a systémy, nebo
Existují tři hlavní přístupy ke snižování energetické náročnosti systému, z nichž každý nabízí různé potenciální úspory (v procentech v závorce): zlepšování efektivity motorů na základě nových tříd účinnosti IE (1,4–3 %), regulace rychlosti s regulovaným pohonem namísto mechanického škrcení (8–10 %), nebo všeobecná optimalizace systému (15-20 %)13. Tato čísla ukazují, že pro efektivní zvýšení účinnosti systému nestačí pouze vyměnit jednotlivé komponenty za účinnější produkty; na systém je třeba pohlížet jako na celek. Optimálních výsledků lze dosáhnout pouze při dokonalé souhře všech komponentů a při výběru správného řešení automatizace pro dané použití. Takovýto přístup odklonu od komponenty směrem k celému systému je řešením budoucnosti. To je patrné i ze
12 ZVEI, Ekonomie a statistiky, 2009, v ZVEI: Automatizace pomocí vyspělé technologie na ochranu životního prostředí a klimatu – Automatizace: Děláme to energeticky úsporné!, 2010 13 Prof. Andreas Binder, přednáška s názvem "Šetření nákladů a energie s účinnými elektrickými pohony", IHK Norimberk, 20. ledna 2009 [německy] Eaton WP040003EN
5
Dva přístupy, jeden cíl
skutečnosti, že orgán CENELEC (Evropský výbor pro normalizaci v elektrotechnice) již pracuje na novém standardu, se kterým lze stanovit nejvíce energeticky účinné řešení pro celou aplikaci (motor, rozvaděče, variabilní pohon) včetně požadovaných zkušebních metod (CENELEC standard "Energetická účinnost a požadavky na ekodesign výkonové elektroniky, rozvaděčů, systémy řídicích a strojních pohonů a jejich průmyslové použití").
Existují dvě hlavní metody, které mohou být použity pro plné využití potenciálu energetických úspor, které nabízí technologie řízení pohonů: jednou z nich je použití motorového spínače pro pohon motorů při stanovené rychlosti po jejich nastartování, a druhá je použití spínačů s variabilní rychlostí (VSS) nebo frekvenčních měničů pro pohánění motorů s proměnlivou rychlostí. Komponenty v obou případech přinášejí požadované výsledky pouze v případě, že jsou správně včleněny. Následující text proto zkoumá rozdíly, oblasti aplikace a scénáře využití čtyř nejvýznamnějších a nejznámějších spínacích metod pro spuštění a ovládání třífázových asynchronních motorů v praxi.
Integrovaný přístup také znamená, že za účelem identifikace mezer v účinnosti a správných nástrojů k jejich vyplnění je vyžadována komplexní analýza spotřeby energie celého systému a jeho komponent. Protože se může jednat o velmi složitý proces, mnoho výrobců automatizačních prvků poskytují praktická softwarová řešení, která pomáhají uživatelům získat podrobné údaje o spotřebě energie jejich strojů nebo podniku (viz obr. 5). Program tohoto typu umožňuje v předstihu vypočítat potenciální úspory. Uživatelé tak mohou předcházet rizikům a, při započítání energetických úspor, dokonce spočítat období, za které budou nové stroje umořeny. Strojní inženýři by se proto neměli pozastavovat nad vysokými nákupními cenami pokročilých technologií, ale spíše zvážit hodnotu zařízení za celou dobu jeho životnosti, kterou chtějí za dané peníze získat (náklady životního cyklu). Investice do automatizačních prvků, které zvyšují účinnost systému, jsou ve většině případů umořené v pozoruhodně krátké době.
A) Motorové spínače: U třífázového motoru s přímým startováním (DOL) je charakteristické vysoké zatížení elektrické sítě. Vysoké rozběhové a rázové proudy při plném napětí způsobují rušivé krátkodobé poklesy napětí v elektrické síti a přechodové momenty v mechanických systémech. To platí zejména v případě použití IE3 motorů, které se vyznačují řadou jedinečných vlastností včetně vyšších rozběhových proudů. Proto je obzvláště důležité používat kvalitní spínací a ochranné prvky se správnou vypínací charakteristikou a se spínáním určeným pro IE3 motory. Jako doplňkový prvek této strategie jsou často používána automatizační řešení pro odstranění výše uvedených rušivých vedlejších účinků a pro snížení spotřeby
3 / N / PE / AC 50/60 Hz F1 d
Q1
Y
F2
Q2
M1
T2
T1
M 3~
M 3~
M 3~
M 3~
M 3~
a
b
c
d
e
B1
Obr. 6: Varianty spínačů motorů F1 = pojistka (ochrana vedení před zkratem) Q1 = spínání (stykače) F2 = ochrana motoru (ochrana před tepelným přetížením, relé na přetížení) M1 = třífázový asynchronní motor ① Přímý start motoru. ② Spínač hvězda-trojúhelník, nejznámější a nejpoužívanější spínací varianta. ③ Softstartér (Q2), plynulý start motoru. Moderní elektronická alternativa spínače hvězda-trojúhelník. ④ Spínač s variabilní rychlostí (VSS) (T1), kontrolovaný a plynulý start motoru se stanovenou zátěží točivého momentu. Spínače s variabilní rychlostí (VSS) také umožňují plynulé ovládání rychlosti a jsou vybaveny integrovanou elektronickou ochranu motoru (I2t). ⑤ Frekvenčním měniče (T2), řízený plynulý start motoru se stanovenou zátěží točivého momentu. Frekvenční měniče také umožňují plynulou regulaci otáček a jsou vybaveny integrovanou elektronickou ochranou motoru (I2t). V závislosti na charakteristice také umožňují přesné ovládání rychlosti (volitelné, pulzní generátor B1) u asynchronních motorů jinak závislých na skluzu.
6
Eaton WP040003EN
energie.14 (Obr. 6: funkční diagramy různých typů spínačů motoru, zdroj: Eaton) I. Přímý (DOL) spínač Přímý start motoru je nejjednodušší metodou spuštění třífázového asynchronního motoru. Vinutí statoru je přímo připojeno k elektrické síti v jednom procesu sepnutí. Přímý start je ideální pro jednotky zapojené v silných sítích, které umožňují vysoký rozběhový proud (točivý moment). (Obr. 7: přímý spínač, zdroj: Eaton)
Ochrana motoru se zapojení hvězda-trojúhelník Bimetalové relé 0,58 x Ie ta ≤ 15 s
L1 L2 L3 PE
I> I> I>
II. Spínač hvězda-trojúhelník: Se spínačem motoru L1 L2 L3 PE
U2
U1
M 3~
V1 W1
W2 V2
Obr. 8: motorový vývod, spínač hvězda-trojúhelník, otáčky po směru hodinových ručiček (cw), příklad SDAINL I> I> I>
U1
V1
W1
M 3~
přepětí a také nabízí možnost selektivního snížení rozběhového proudu. Napětí motoru se zvyšuje v nastavitelném rozběhovém čase od zvoleného rozběhového napětí na jmenovité napětí motoru. Softstartér také umožňuje ovládat dobíhání pohonu pomocí snížení napětí. Softstartéry jsou ideální pro pohony, které vyžadují měkkou momentovou L1 L2 L3 PE
Obr. 7: motorový vývod, přímý spínač, otáčky po směru hodinových ručiček (cw), příklad MSC
hvězda-trojúhelník je spuštění třífázového asynchronního motoru realizováno přepínáním vinutí. Jumpery na svorkovnici motoru jsou vynechány a všech šest přípojek vinutí je připojeno k napájecí síti pomocí tzv. spínače hvězda-trojúhelník (ručně ovládaný spínač nebo automatický stykač). V zapojení do hvězdy jsou síťové napětí (ULN) a proud na jednotlivých vinutí motoru snížené o činitel 1/√3 (~ 0,58), což snižuje záběrový moment přibližně na třetinu hodnoty u zapojení do trojúhelníku. Vzhledem ke sníženému rozběhového momentu je konfigurace hvězda-trojúhelník vhodná pro pohony s menším zatěžovacím momentem nebo se zatěžovacím momentem (ml), který se zvyšuje spolu s rychlostí, jako je tomu u čerpadel a ventilátorů (ventilátory/dmychadla). Používá se také v případech, kde je pohon předmětem zátěže až po jeho zrychlení na danou rychlost, například u lisů a odstředivek. (Obr. 8: spínač hvězda-trojúhelník, zdroj: Eaton) III. Softstartér:V mnoha případech není přímé spínání ani fázové spínání hvězda-trojúhelník u třífázového asynchronního motoru tím nejlepším řešením, protože vysoké proudové špičky mají vliv na elektrické napájení a rázy točivých momentů vystavují mechanické součásti stroje nebo systému vysoké zátěži. Softstartér tento problém odstraňuje. (Obr. 9, softstartér, zdroj: Eaton). Ten umožňuje plynulé zvyšování točivého momentu bez
I> I> I>
U1
V1
W1
M 3~ Obr. 9: motorový vývod, softstartér DS7, přímé zapojení, v kombinaci s PKZM0
charakteristiku nebo snížení proudu. Přednostně před konfigurací hvězda-trojúhelník by měly být použity zejména pro aplikaci se spuštěním pod zátěží (kdy zátěž nelze připojit po startu). Z ekonomických důvodů a s ohledem na možnosti energetických úspor je to optimální řešení pro vysoce výkonné jednotky. Pokud mají uživatelé v plánu zabránit tlakovým rázům v čerpacích systémech, snížení rozběhových proudů u velkých setrvačných hmot nebo zajistit plynulý rozběh jejich dopravníkových systémů, softstartéry nabízejí jemnou alternativu pro plynulý rozběh motoru, která chrání napájecí systém (viz obr. 10).
14 Jörg Randermann, Spínání a ovládání třífázových asynchronních motorů, 2010 [německy] Eaton WP040003EN
7
I
② Spuštění hvězdatrojúhelník ③ Měkké spuštění
Funkčně mohou být zařazeny někde mezi spínače motorů a dnešní běžné frekvenční měniče, protože kombinují výhody těchto dvou kategorií (snadné použití motorového spínače a variabilní rychlost, kterou poskytuje frekvenční měnič). V souladu s tím se používají pro jednoduché aplikace, kde je vyžadována variabilní rychlost a není potřeba rozsáhlých funkcí běžného frekvenčního měniče, který může být pro aplikaci dokonce příliš složitý.
n
Po mnoho dekád byly mechanické metody pro řízení toku kapalin a plynů jediné způsoby, jak nastavit rychlost dodání dle požadavků příslušného procesu. Zde motor pracuje při jmenovitých otáčkách požadovaných pro maximální rychlost dodání téměř nepřetržitě. Ventily a škrticí klapky používané pro mechanické ovládání představují zdroje ztráty konverze, obvykle ve formě tepla. V současné době může být rychlost pohonu řízena přímo pomocí frekvenčního měniče, takže se průtok kapaliny nebo plynu nastaví podle aktuálních požadavků.17 Spínače s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenční měniče navzdory jejich tepelným ztrátám obvykle zvýší průměrnou účinnost aplikace v celém provozním rozsahu.
① Přímé spuštění
a
b c IN nN
Obr. 10: Softstartéry díky nastavitelnému omezení proudu snižují zatížení sítě s vysokým nárazovým proudem u přímých spínačů nebo proudových špiček, jako v případě spínačů hvězda-trojúhelník, čímž zabraňují nežádoucím poklesům napětí. Zdroj: Eaton (úvodní strana)
To, který z těchto tří variant spínačů motorů je nejvhodnější pro aplikaci uživatele, může být jasně určeno pouze po podrobné analýze systémových parametrů (např. projektové specifikace, profil zatížení, fyzické rozměry), funkčních požadavků (síťové napájení, zatížitelnost, investiční náklady) a provozní podmínky (produktivita podniku, kvalitu procesu, provozní náklady).15Zejména u aplikací se stálými rychlostmi jsou spínače, ve srovnání s frekvenčními měniči, nejen cenově dostupnější, ale také účinnější řešení – dokonce bez ohledu na úroveň IE (IE2/IE3). Abychom získali to nejlepší řešení automatizace, je vždy důležité brát v úvahu všechny faktory související se systémem. Rozhodně to není ten případ, jak někteří tvrdili, že stykače nebo spínače motorů budou brzy "vykázány" z průmyslové automatizace. Koneckonců, kombinace IE3 motoru a stykače je podstatně levnější než přístroje IE2 s frekvenčním měničem. Kromě toho, většina pohonů s uzavřenou regulační smyčkou je nadále vybavováno síťovým stykačem. Shrnutí: Softstartéry jsou ze všech typů motorových spínačů nejvhodnější pro snížení špičkové zátěže u elektrických pohonů se stálou rychlostí nebo nízkou frekvencí spínání. Typickým příkladem aplikace jsou čerpadla ve vodních nádržích, míchadla v čistírnách odpadních vod a dopravníkové systémy s konstantní zátěží.
Nastavitelné proudové omezení brání vysokým proudovým špičkám v přívodu elektrického napětí a náhlému zatížení mechanických částí stroje a systému. Spínač s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenční měnič kromě hladkého startu také umožňují plynulé řízení rychlosti (frekvence) třífázového asynchronního motoru. Vzhledem k tomu, že u motorů připojených přímo do sítě lze ideálních provozních podmínek dosáhnout pouze v momentě stálého provozního stavu (= specifikace výkonnostního štítku), s regulací frekvence mohou být využity v celém rychlostním rozsahu. Konstantní poměr napětí k frekvenci (U/f) zajišťuje nezávislé provozní
L1 L2 L3 PE
I> I> I>
B) Spínače s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenční měniče: Zvýšení účinnosti systému vždy zahrnuje kombinaci zvýšení energetické účinnosti jednotlivých komponent a analýzu celého systému nezávisle na produktu.16 Spínače s variabilní rychlostí (VSS) jsou novou kategorií přístrojů používaných pro řízení asynchronních motorů.
PES M 3~
Obr. 11: motorový vývod, spínač s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenčním měničem 15 Capiel (Evropská asociace výrobců nízkonapěťových spínacích a řídicích přístrojů) Journal, A co spínací a řídicí přístroje? Účinnost elektromotorových systémů, 2011, http://capiel.eu/data/Journal_CAPIEL_ MOTEUR-2_EN.pdf 16 Capiel (Evropská asociace výrobců nízkonapěťových spínacích a řídicích přístrojů) Journal, A co spínací a řídicí přístroje? Účinnost elektromotorových systémů, 2011
8
Eaton WP040003EN
17 Alfred Mörx, přednáška s názvem "Zvýšení energetické účinnosti ve strojírenství pohonů ve světle evropských směrnic a nařízení", Eaton Vídeň, 2013 [německy]
body se jmenovitým momentem (MN). Pohonná jednotka s řízenými otáčkami s jejich přizpůsobením do výrobního procesu a vyvážením vnějšího zásahu zaručuje delší životnost a funkční bezpečnost.18 Potenciál energetických úspor pomocí frekvenčního měniče závisí na následujících faktorech: typ poháněného zatížení, stupeň optimalizace účinnosti s frekvenčním měničem a čas, ve kterém celý systém pracuje s částečným zatížením. Frekvenční měniče jsou zvláště účinné v aplikacích se střídavým zatížením nebo variabilními rychlostmi. Charakteristiky motoru a stroje (např. čerpadlo) jsou obecně dané stejně jako interakce rychlosti (n) nebo krouticího momentu (M) a výkonu (P). Co se týče úspory energie s frekvenčními měniči, obzvláště zajímavé jsou stroje a zařízení, u kterých je vztah mezi rychlostí (n) a točivým momentem (M) kvadratický s více než lineárním zapojením k napájení (P). Mezi ně patří aplikace, jako jsou odstředivá čerpadla a ventilátory. Ve světě pohonů jsou známé jako stroje s kontinuálním průtokem. Klíčovým faktorem pro úsporu energie je zde kubický vztah mezi rychlostí a výkonem (P úměrné n3), z čehož vyplývá například čerpadlo pracující na 50 % své maximální rychlosti, přičemž vyžaduje pouze 1/8 energie potřebné pro plný výkon. To znamená, že malým snížením rychlosti lze dosáhnout velkých úspor. Snížením rychlosti o 20 % přinese úsporu ve výši 50 % (viz obr. 12), protože spotřeba energie motoru je upravena tak, aby přesně splňovala aktuální požadavky procesu.19
Na první pohled se spínače s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenční měniče zdají být nejdražší způsob řízení rychlosti asynchronních motorů. Hlavními důvody jsou vyšší pořizovací náklady v porovnání se spínači motorů a dodatečné instalace. Ale nejpozději během provozu se ukáže ekonomický přínos měkkého rozběhu motoru spolu s energetickou účinností a optimalizací procesu.20. To platí zejména pro čerpadla a ventilátory, jak je ukázáno v následujícím příkladu: V systému čerpadla je požadována proměnná rychlost dodávky. Změna rychlosti lze provést: (a) použitím motoru s konstantní rychlostí a škrticího ventilu pro nastavení rychlosti, nebo (b) pomocí pohonů s uzavřenou regulační smyčkou, která upravuje otáčky čerpadla podle požadavků. Typický cyklus systému pumpy je následující: 100 % rychlost dodávky v 6 % času, 75 % rychlosti dodávky 15 % času, 50 % rychlost dodávky 35 % času, 25 % rychlost dodávky v 44 % času. Ovládání čerpadla pomocí škrticích ventilů vede k vysokým ztrátám a nízké účinnosti v celkovém systému. S řízením regulaceotáček pomocí frekvenčního měniče mohou být tyto ztráty výrazně sníženy, z čehož vyplývá vysoká úspora energie a značné snížení provozních nákladů (viz obr. 13). V tomto příkladu je efektivní výkon čerpadla vždy 100 %. V případě škrcení musí být dodána 2,85 násobek efektivního výkonu; s elektronickou regulací otáček pouze 1,6 násobek energie. Shrnutí: Zvýšení účinnosti s využitím spínače s variabilní rychlostí (VSS) a frekvenčního měniče je ideální pro aplikace s různými rychlostmi nebo zatížením. S regulací rychlosti při zatížení lze dosáhnout značných úspor. Ukázkové aplikace zahrnují čerpadla s uzavřenou smyčkou a systémy ventilátorů bez škrticího ventilu, dopravníkové systémy s proměnlivým zatížením, regulační prvky v obráběcích strojích.21
% 100 80 60 40 Q
p
20 0
P 0
20
40
60
80
100 %
Speed n Flow (Q) – pressure (p) – power (P) Obr. 12: Vztah (v procentech) mezi průtokem (Q), tlakem (p), výkonem (P) a rychlostí (n) u strojů s kontinuálním průtokem (schematicky), zdroj: diam-consult
18 Jörg Randermann, Spínání a ovládání třífázových asynchronních motorů, 2010 19 Alfred Mörx, přednáška s názvem "Zvýšení energetické účinnosti ve strojírenství pohonů ve světle evropských směrnic a nařízení", Eaton Vídeň, 2013 [německy]
20 Jörg Randermann, Spínání a ovládání třífázových asynchronních motorů, 2010 21 Rozdíl mezi aplikacemi s konstantní a variabilní rychlostí/zatížením je zjednodušené a slouží pouze pro ilustraci tématu energetické účinnosti. U složitějších systémů, jako jsou například aplikace HVAC ve velkých budovách, v inženýrství dopravních a manipulačních strojů nebo v oblasti dodávek vody, jsou přirozeně použity kombinace různých ovládacích zařízení. Tyto složité kombinace systémů však v tomto kontextu hrají pouze vedlejší roli, a proto je nebude podrobněji zkoumat. Eaton WP040003EN
9
Feed control by speed
Feed control by throttle
Feed rate 160 %
Feed rate 285 %
285%
160% Transformer losses
Transformer losses
281%
M 265%
158% Motor losses
Converter losses
Pump losses
M
160%
100%
152% Motor losses 142%
Throttle valve losses
100%
Pump losses
Feed control by speed Feed rate 160 % Net output
Net output
Obr. 13: Porovnání ovládání pumpy s mechanickým škrcením a elektrickou regulací otáček, 160% zdroj: ZVEI
Transformer losses
158% Converter losses
M
152% Motor losses 142%
100%
Pump losses
Net output Obr. 14: Nová řada variabilních pohonů PowerXL od společnosti Eaton
Závěr: Nejpozději při přijetí směrnice ErP 2009/125/ES Evropskou unií budou průmyslové společnosti povinné neustále snižovat spotřebu energie a tím i emise CO2, a to zejména v oblasti elektrických pohonů. Automatizační řešení, jako jsou spínače motorů a frekvenční měniče, zde mohou podstatnou měrou přispět, pokud jsou správně nasazeny. Pokud chtějí uživatelé efektivně využít potenciálu úspor v oblasti elektronických pohonů, měli by vzít v úvahu následující tři klíčové otázky: 1. Volba správného pohonu je klíčovým faktorem úspěchu. V zásadě zde existují dva různé typy aplikace, z nichž každá má své vlastní řešení automatizace. • Motorové spínače jsou nejvíce energeticky účinným řešením pro aplikace s fixními rychlostmi nebo s nízkou frekvencí spínání. 10
Eaton WP040003EN
• Elektrické ovládání otáček motoru pomocí frekvenčního měniče je lepší volbou pro aplikace s variabilními rychlostmi nebo se silně střídavým zatížením. 2. Od komponenty k systému: Energetická účinnost by měla být vždy vnímána jako souhra všech komponentů a ne se pouze zaměřit na jedno zařízení. Použití více energeticky účinných komponent je sám o sobě dobrý nápad, ale ne dostatečně dobrý pro maximalizaci účinnosti celého systému. To je důvod, proč je nejdříve nutná komplexní analýza spotřeby energie celého systému pro určení nejlepšího řešení – frekvenční měnič nebo motorový spínač – pro zvýšení energetické účinnosti v aplikaci uživatele. Teprve poté může být s jistotou stanoveno automatizační řešení, které maximálně zvýší účinnost celého systému a naplní potenciál úspor. 3. Z krátkodobého až dlouhodobého horizontu se vyplatí investovat do energeticky úsporných technologií, jako jsou IE3 motory. I když se modernizace systému zpočátku jeví jako drahá záležitost, při využití komponent, jako jsou frekvenční měniče a softstartéry, se investice často rychle vrátí na úsporách. Při zvážení celkových nákladů na zařízení za celou dobu životnosti je investice obvykle umořena po relativně krátké době. I když to ještě není stanoveno zákonem, investice do technologie IE3 v kombinaci s měniči a spínači motorů se vyplatí, protože to zlepšuje kompatibilitu s budoucími změnami v systému. Autor: Heribert Joachim, Senior projektový manažer v oblasti pohonů ve společnosti Eaton v Bonnu
Použité zdroje: • Alfred Mörx, Zvýšení energetické účinnosti ve strojírenství pohonů ve světle evropských směrnic a nařízení”, Eaton Vídeň, 2013 [německy] • Almeida, A.T. Ferreira, Fong, J., Fonseca, P., EUP Lot 11 Motors; ISR-Univerzita Coimbra, únor 2008 • Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen AGEB: Tabulky pro hodnocení energetické bilance od 1990 do 2011. [německy] • Capiel (Evropská asociace výrobců nízkonapěťových spínacích a řídicích přístrojů) Journal, A co spínací a řídicí přístroje? Účinnost elektromotorových systémů, 2011, http://capiel.eu/data/Journal_CAPIEL_MOTEUR-2_EN.pdf • Jörg Randermann, Spínání a ovládání třífázových asynchronních motorů, 2010 [německy] • Směrnice 2005/32/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů • Směrnice 2009/125/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign energetických spotřebičů • Spolková agentura pro životní prostředí, spotřeba energie podle zdroje a sektoru, březen 2013, http://www. umweltbundesamt-daten-zur-umwelt.de/umweltdaten/public/ theme.do?nodeIdent=5978 • Federální agentura pro životní prostředí, tisková zpráva č. 53/2009, Energetická účinnost elektromotorů, 2009 http:// www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2009/pd09-053_ energieeffizienz_bei_elektromotoren.htm • Prof. Andreas Binder, “Šetření nákladů a energie s účinnými elektrickými pohony”, IHK Nuremberg, 20. ledna 2009 [německy]
• VDMA / Roland Berger: Jak strojírenství přispívá k energetické účinnosti, 2009 [německy] • Nařízení Komise (ES) č. 640/2009 ze dne 22. července 2009, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES s požadavky na ekodesign elektromotorů • ZVEI založený na společnosti McKinsey & Company, Inc. "Snížení nákladů a potenciálu skleníkových plynů v Německu", průmyslová zpráva, 2007 • ZVEI, Divize měřicí techniky a procesní automatizace, v: ZVEI: Automatizace pomocí vyspělé technologie na ochranu životního prostředí a klimatu – Automatizace: Děláme to energeticky úsporné!, 2010 [německy] • ZVEI, Ekonomie a statistiky, 2009, v ZVEI: Automatizace pomocí vyspělé technologie na ochranu životního prostředí a klimatu – Automatizace: Děláme to energeticky úsporné!, 2010 [německy] • ZvEI, Motory a pohony s uzavřenou regulační smyčkou – normy a právní požadavky pro nízkonapěťové třífázové motory, 2013 [německy] • ZVEI: Automatizace pomocí vyspělé technologie na ochranu životního prostředí a klimatu – Automatizace: Děláme to energeticky úsporné!, 2010 [německy]
Eaton WP040003EN
11
Společnost Eaton se zabývá zajišťováním spolehlivé, účinné a bezpečné energie, když je nejvíce potřeba. Odborníci společnosti Eaton s jedinečnou znalostí distribuce elektrické energie napříč odvětvími dodávají zákaznicky přizpůsobená integrovaná řešení pro splnění těch nejnáročnějších požadavků. Naším zaměřením je dodávat vhodné řešení pro dané použití. Ale ti, kdo rozhodují, požadují více než jen inovativní produkty. Obracejí se na společnost Eaton s neoblomným závazkem osobní podpory, pro kterou je spokojenost zákazníka hlavní prioritou. Pro více informací navštivte www.eaton.eu/electrical. Pro kontaktování prodejce společnosti Eaton nebo místního distributora/zprostředkovatele prosím navštivte www.eaton.eu/electrical/customersupport
Eaton Industries GmbH Hein-Moeller-Str. 7–11 D-53115 Bonn / Německo © 2014 Eaton Corporation Všechna práva vyhrazena Vytisknuto v Německu 09/14 Číslo publikace: WP040003EN ip Září 2014 Článek č.: 173442
Eaton je registrovanou obchodní značkou společnosti Eaton Corporation Všechny obchodní značky jsou majetkem příslušných majitelů. SmartWire-DT® je obchodní značkou společnosti Eaton Corporation.
